СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СТАЦИОНАРНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ В ПРОЦЕССЕ ВЫРАБОТКИ РЕСУРСА Российский патент 2005 года по МПК G01M19/00 F03H1/00 H05H1/54 

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при наземных испытаниях и при эксплуатации стационарных плазменных двигателей (СПД) различной мощности и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе.

Одними из важнейших параметров для СПД являются его ресурсные характеристики. Требуемая длительность их работы может составлять сотни и тысячи часов. Кроме того, в настоящее время к СПД (двигателям) предъявляются дополнительные требования по работоспособности двигателей в нескольких режимах по мощности разряда и нескольких значениях напряжения разряда. Мощность разряда может изменяться как ступенчато, так и непрерывно в течение всего времени работы двигателя [1]. Оптимальное решение задач комбинированных маневров космических аппаратов (КА) может быть достигнуто за счет работы ЭРД при нескольких значениях разрядного напряжения [2, 3]. Для “быстрого” перевода КА с промежуточной орбиты на геостационарную двигатель должен создавать максимальную тягу. А для удержания КА в заданной точке на геостационарной орбите требуются режимы работы двигателя с высокими значениями удельного импульса. При заданной мощности разряда первое требование выполняется при низких значениях разрядного напряжения, второе - при высоких значениях этого параметра.

При ресурсе двигателя несколько сотен и тысяч часов, а тем более при дополнительных требованиях по многорежимности работы двигателя подтверждение ресурсных параметров становится довольно сложной задачей.

Известно, что ресурс СПД определяется несколькими параметрами, в том числе эрозией стенок (внутренней и наружной) разрядной камеры, которые изготавливаются преимущественно из изоляционных материалов, и тягой в течение всего ресурса двигателя [4].

Известен способ прогноза ресурсных характеристик СПД, при котором ресурсные испытания ведутся в течение ограниченного времени, составляющего только часть требуемого полного ресурса двигателя. В процессе таких кратковременных ресурсных испытаний выполняют измерения тяги и толщины (эрозии) стенок в выходной части разрядной камеры. По результатам измерений тяги и эрозии изолятора разрядной камеры методами регрессионного анализа, путем подбора аппроксимирующих монотонно изменяющихся функций, определяют функциональные зависимости тяги и толщины выходной части стенок разрядной камеры от времени работы двигателя. Эти зависимости затем используют для прогноза эрозии и тяги в течение требуемого (полного) времени ресурса [5, 6].

Проведение кратковременных ресурсных испытаний и прогнозирование эрозии изолятора и тяги на все время ресурса по известному способу с использованием функциональных регрессионных зависимостей позволяет сократить, по меньшей мере, в три раза время ресурсных испытаний. Тем самым значительно сокращается трудоемкость проведения таких сложных испытаний.

Однако известный способ обладает существенными недостатками. Прогноз эрозии и тяги двигателя на время его полного ресурса осуществляется по функциональным зависимостям этих параметров от времени работы. Эти зависимости находятся на основе результатов испытаний двигателя при неизменных разрядных параметрах на части полного времени ресурса. Поэтому он становится неприменимым при условии непрерывного изменения мощности разряда в процессе выработки ресурса СПД. А при наличии дополнительных требований к работе двигателя в нескольких режимах по мощности разряда или при нескольких значениях напряжения разряда прогнозирование параметров двигателя на полный ресурс по известному способу может быть сделано только при работе двигателя в последнем режиме, на котором он будет дорабатывать конец своего ресурса.

Известен способ прогнозирования изменения параметров СПД в процессе выработки ресурса, принятый за прототип, состоящий из последовательно выполняемых циклов, каждый из которых включает проведение кратковременных ресурсных испытаний, составляющих часть полного ресурса с измерением параметров двигателя, измерение линейных размеров профилей эрозий стенок разрядной камеры, расчетное прогнозирование на заданное время новых профилей эрозий и формирование их при помощи механической обработки на соответствующих стенках разрядной камеры [7].

Такой способ позволяет достаточно достоверно прогнозировать изменения линейных размеров профилей эрозий разрядной камеры СПД, в том числе и изменения геометрических размеров стенок в выходной части разрядной камеры. Это достигается за счет того, что по результатам нескольких этапов испытаний, необходимых для повышения точности последующего шага прогнозирования, определяется функциональная зависимость изменения геометрических размеров стенок в выходной части разрядной камеры от времени работы двигателя при заданных разрядных параметрах на заданное время работы.

Прогноз изменения линейных размеров профилей эрозий стенок в выходной части разрядной камеры по известному способу осуществляется по результатам испытаний при рабочих параметрах двигателя. Поэтому появляется возможность прогнозировать эти изменения и после изменения режима работы двигателя, т.е. при наличии дополнительного требования по многорежимности работы двигателя. Данный способ позволяет уменьшить время для прогноза ресурса износа изолятора разрядной камеры СПД по крайней мере в 5 раз.

Однако и данный способ прогнозирования имеет существенный недостаток. Он не позволяет определить функциональную зависимость тяги от времени работы двигателя.

При создании изобретения решалась задача по повышению точности прогнозирования параметров СПД в ресурсе на основе прогноза изменения тяги двигателя по результатам кратковременных циклических испытаний.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе прогнозирования изменения параметров СПД в процессе выработки ресурса, состоящем из последовательно выполняемых циклов, каждый из которых включает проведение кратковременных ресурсных испытаний, составляющих часть полного ресурса с измерением параметров двигателя, измерение линейных размеров профилей эрозий стенок разрядной камеры, расчетное прогнозирование на заданное время новых профилей эрозий и формирование их на соответствующих стенках разрядной камеры, согласно изобретению после измерений линейных размеров профилей эрозий стенок разрядной камеры дополнительно определяют площади эрозий, а методами регрессионного анализа определяют функциональную зависимость между результатами измерений тяги (F) и суммарной площадью эрозий F=f(k, S), из которой определяют коэффициент пропорциональности между тягой и суммарной площадью эрозий (k), который в дальнейшем учитывают при прогнозе изменения тяги в течение всего ресурса.

В предложенном способе прогнозирования тяги при ресурсе СПД используется экспериментальная зависимость между тягой и суммарной площадью эрозий, определенная по результатам кратковременных испытаний с моделированием динамического процесса изменения эрозий стенок разрядной камеры.

Учет функциональной зависимости тяги от суммарной площади эрозий при прогнозировании параметров СПД в процессе выработки ресурса позволяет не только прогнозировать изменения геометрических размеров эрозий стенок разрядной камеры, но и делать прогноз изменения тяги на основе прогноза геометрических характеристик зон эрозий.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующим примером и чертежами.

Проводилось моделирование эрозий стенок (изолятора) разрядной камеры двигателя СПД-100 во время его ресурса.

Двигатель СПД-100 испытывался с тремя конфигурациями стенок на выходе из разрядной камеры: исходной цилиндрической формы и двумя конфигурациями, моделирующими различную степень эрозии изолятора. Одна из конфигураций моделировала степень эрозии изолятора, соответствующую примерно первым 300 часам работы двигателя. Вторая - 700 часам работы.

Для каждой из конфигураций стенок проводились кратковременные ресурсные испытания двигателя. Испытания проводились при токе разряда 4,5 А и напряжении разряда 300 В. В процессе испытаний выполнялось измерение параметров двигателя, в том числе и тяги (F).

После испытаний каждой из конфигураций измерялись координаты профилей эрозий и определялась суммарная площадь эрозий наружной и внутренней стенок изолятора разрядной камеры (S). По результатам измерений координат профилей эрозий выполнялся прогноз координат профиля эрозии каждой последующей конфигурации.

Координаты прогнозных профилей эрозий использовались при механической обработке изолятора разрядной камеры точением.

Длительность испытаний для каждой из конфигураций выбиралась из условия, что погрешность измерений координат профиля эрозии не превышала 20% от разницы между полученным механической обработкой прогнозным профилем и профилем, полученным за время кратковременных ресурсных испытаний для каждого цикла.

Результаты измерений тяги и соответствующие результаты измерений площадей эрозий для каждой из конфигураций были подвергнуты совместной обработке.

На фиг.1 показана полученная зависимость тяги от суммарной площади эрозий. Результаты приведены в относительных значениях. За единицу по оси ординат принята тяга при начальной конфигурации изолятора. За единицу по оси абсцисс принята суммарная площадь эрозий начальной конфигурации изолятора. График показывает, что при увеличении суммарной площади эрозий изолятора тяга при неизменных параметрах разряда уменьшается.

Методами регрессионного анализа был найден коэффициент пропорциональности между тягой (F) и суммарной площадью эрозий (S)-k. Для двигателя типа СПД-100 при работе в режиме с током разряда 4,5 А и напряжением разряда 300 В значение коэффициента пропорциональности k по результатам модельных испытаний составило 0,22 (см. фиг.1). То есть при изменении площади эрозий на 1% тяга изменяется на 0,22%. Далее найденный коэффициент пропорциональности k был использован для проверки определенной экспериментальным путем зависимости между тягой двигателя и суммарной площадью эрозий.

В качестве контроля использовались результаты измерений тяги при ресурсных испытаниях двигателя типа SPT-100 [8]. Испытания этого двигателя проводились при токе разряда 4,5 А и напряжении разряда 300 В. Этот режим соответствовал режимам кратковременных ресурсных испытаний СПД-100 с моделированием эрозии изолятора разрядной камеры. Для расчета площадей эрозий в ресурсе использовались результаты измерений профилей эрозии [9]. Эти результаты были получены также в процессе ресурсных испытаний двигателя типа СПД-100 и при тех же разрядных параметрах: токе разряда 4,5 А и напряжении разряда 300 В.

Расчет тяги в ресурсе проведен с использованием коэффициента k, найденного по результатам модельных испытаний. При расчете тяги за базовое значение тяги использовалась тяга, измеренная в начале ресурса [8]. Результаты измерений тяги, выполненных при ресурсных испытаниях [8], и результаты расчета тяги для этого же двигателя с использованием коэффициента k приведены на фиг.2.

Сравнительный анализ зависимостей тяги от ресурса, приведенных на фиг.2, показывает их хорошую сходимость как качественно, так и количественно, что подтверждает возможность выполнения прогноза тяги в ресурсе по результатам кратковременных ресурсных испытаний с использованием моделирования эрозий изолятора при помощи механической обработки.

В приведенном примере выполнялось три цикла кратковременных ресурсных испытаний. График, приведенный на фиг.1, показывает, что для определения коэффициента пропорциональности между суммарной площадью эрозий и тягой достаточно и двух циклов, так как зависимость между тягой и суммарной площадью эрозий может быть принята линейной. Для повышения же точности прогнозирования количество циклов может быть увеличено.

Механическая обработка изолятора для получения прогнозного профиля может выполняться, например, путем токарной обработки по рассчитанным координатам профиля эрозии или точением резцом, заточенным по форме рассчитанного прогнозного профиля.

Измерения тяги, прогнозирование изменения геометрических размеров профилей эрозий и расчет коэффициента пропорциональности между тягой и суммарной площадью эрозий согласно предлагаемому изобретению выполняются в процессе кратковременных ресурсных испытаниях при заданных рабочих параметрах двигателя. Поэтому и в случае изменения режима работы (изменения разрядных параметров двигателя) прогноз эрозии изолятора и тяги в процессе ресурса на новом режиме также может быть сделан в результате проведения нескольких циклов кратковременных ресурсных испытаний. Для каждого из режимов по результатам кратковременных ресурсных испытаний может быть найден соответствующий коэффициент пропорциональности k. С использованием этих коэффициентов может быть сделан прогноз изменения тяги в процессе работы двигателя в каждом из режимов и, следовательно, для всего ресурса в целом. Тем самым решается задача прогнозирования эрозии изолятора и тяги в течение ресурса даже при наличии дополнительного требования по многорежимности работы двигателя, а значит, устраняется существенный недостаток, присущий известному аналогу.

Прогнозирование параметров СПД в ресурсе, в том числе и тяги двигателя, согласно предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

Сначала проводят ресурсные испытания на укороченной временной базе, составляющей часть полного ресурса двигателя при исходной конфигурации изолятора разрядной камеры. Испытания проводят при заданных разрядных параметрах. В процессе испытаний регистрируют параметры двигателя, в том числе и тягу (F). После кратковременных испытаний двигателя с исходной конфигурацией изолятора разрядной камеры двигателя профилей эрозий изолятора разрядной камеры и определяются площади эрозий (S_нар и S_внутp). По результатам измерений профилей эрозий выполняется прогноз профилей эрозий на последующее время работы, составляющее часть полного ресурса двигателя, после чего выполняется механическая обработка изолятора с формированием прогнозных профилей эрозий на соответствующих стенках разрядной камеры. Затем цикл, включающий проведение кратковременных ресурсных испытаний при заданных разрядных параметрах, последующее измерение профилей эрозий изолятора разрядной камеры и определение площадей эрозий повторяется. На основе полученных результатов измерений тяги и суммарной площади эрозий методами регрессионного анализа определяется коэффициент пропорциональности (k) между тягой (F) и суммарной площадью эрозий (S), который в дальнейшем используется для прогноза тяги двигателя в течение всего его ресурса работы при заданных разрядных параметрах.

Источники информации

1. Popov G.A., Obukhov V.A. et all. Development of Electric Рropulsion System Based on SPT-140 for "Phobos-Soil" Mission. 52^nd International Astronautical Congress. 1-5 October 2001, Toulouse. France. IAF-01-Q.03.b05.

2. J. Steven Snyder, Tom Randolph et all. Systems-Level Тrаdе Studies of a Dual-Мode for Geosychronous Communications Satellites. 27^th International Electric Propulsion Conference. Pasadena, California, 14-19 October 2001, IEPS-01-172.

3. Steven R. Oleson, John M. Sankovic. Advanced Hall Electric Propulsion for Future In Space Transformation. Third International Conference on Spacecraft Рropulsion, Cannes, France, 10-13 October 2000, pp.717-726.

4. Баранов В.И., Васин А.И., Петросов В.А. Проблемы ускоренных испытаний ЭРД. В сб. Ракетно-космическая техника. Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП. 1991, с.7-22.

5. Баранов В.И., Васин А.И., Лебедев В.Т., Петросов В.А. Прогнозирование износа изолятора стенки ускорительного канала СПД по результатам ускоренных испытаний. В сб. Ракетно-космическая техника. Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП, 1991, с.176-187.

6. Баранов В.И., Васин А.И., Петросов В.А. Особенности деградации тяги при ресурсных испытаниях СПД. В сб. Ракетно-космическая техника. Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП, 1991, с.204-217.

7. Латышев Л.А., Соколоверов А.П., Хартов С.А., Чуян Р.К. Поэтапная методика испытаний ускорителей с замкнутым дрейфом электронов. В сб. Ракетно-космическая техника. Ракетные двигатели и энергетические установки. НИИТП, 1991, с.71-78 (прототип).

8. В.A.Arkhipov, R.Y.Gnizdor et al. "The Results of 7000 Hour SPT100 Life Testing". 24^th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995. IEPC-95-039.

9. S.K.Absalamov, R.Y.Gnizdor et al. "Measurement of plasma parameters in the stationary plasma thruster (SPT-100) plume and its effect on spacecraft components". AIAA-92-3156, July, 1992.

Использование: в космической технике, а именно при наземных испытаниях и эксплуатации в условиях космического пространства стационарных плазменных двигателей (СПД) различной мощности и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе. Способ прогнозирования изменения параметров стационарного плазменного двигателя в процессе выработки ресурса состоит из последовательно выполняемых циклов, каждый из которых включает проведение кратковременных ресурсных испытаний, составляющих часть полного ресурса с измерением параметров двигателя, измерение линейных размеров профилей эрозий стенок разрядной камеры, расчетное прогнозирование на заданное время новых профилей эрозий и формирование их на соответствующих стенках разрядной камеры, после измерения линейных размеров профилей эрозий стенок разрядной камеры дополнительно определяют площади эрозий, а методами регрессионного анализа определяют функциональную зависимость между результатами измерений тяги (F) и суммарной площадью эрозий F=f(k, S), из которой определяют коэффициент пропорциональности между тягой и суммарной площадью эрозий (k), который в дальнейшем учитывают при прогнозе изменения тяги в течение всего ресурса. Технический результат: повышение точности прогнозирования параметров СПД в ресурсе. 2 ил.

Способ прогнозирования изменения параметров стационарного плазменного двигателя в процессе выработки ресурса, состоящий из последовательно выполняемых циклов, каждый из которых включает проведение кратковременных ресурсных испытаний, составляющих часть полного ресурса с измерением параметров двигателя, в том числе величины тяги (F), измерение линейных размеров профилей эрозий стенок разрядной камеры, расчетное прогнозирование на заданное время новых профилей эрозий и формирование их на соответствующих стенках разрядной камеры, отличающийся тем, что после измерений линейных размеров профилей эрозий стенок разрядной камеры дополнительно определяют площади эрозий, а методами регрессионного анализа определяют функциональную зависимость между результатами измерений тяги (F) и суммарной площадью эрозий F=f(k,S), из которой определяют коэффициент пропорциональности между тягой и суммарной площадью эрозий (k), который в дальнейшем учитывают при прогнозе изменения тяги в течение всего ресурса.